Control of coherent phonon transport by low dimensional materials

低维材料控制相干声子输运

• 批准号: 18F18058
• 负责人: 塩見 淳一郎
• 金额: $ 1.41万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2018
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2018-11-09 至 2021-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-18F18058/
• 关键词: ２次元材料; フォノン輸送; 分子シミュレーション; 最適化; ナノセルロース; コヒーレントフォノン輸送; セルロース

半導体や絶縁体の熱輸送をフォノン輸送の観点より考えて、ナノ構造や界面構造で熱伝導を制御する科学が近年発展している。さらに、ボトムアップ自己組織化の発展にともない、フォノン波の特性長と同程度の長さスケールの構造を用いれば、フォノンの波動性や粒子性と両方を利用した制御が実践できる可能性がある。そこで本研究では、フォノニック結晶や低次元材料の熱輸送とその制御性を理解し、フォノンエンジニアリングを実践する。最終年度の４ヶ月間は、これまでの分子シミュレーションによって得た研究成果について、論文の執筆を進め、投稿・発表した。その中でメカニズムの議論を深めた。グラフェンと二硫化モリブデンの２次元構造を積層した構造については、前年度に、熱輸送計算と機械学習を組み合わせて熱伝導率を最小にする最適構造を同定する手法を用いて面直方向の熱伝導率が非常に小さい非周期的な構造を設計することに成功したが、今年度は、フォノン透過関数の分布関数、Participation Ratio、固有モードのマッピングなどの解析を進め、メカニズムがフォノンの局所化に由来することを明らかにした。フォノン透過関数の分布関数はアンダーセン局在的な様相を示し、Participation Ratioからも強い局在が示唆された。また、段階的に欠陥を導入するとフォノンが非局在化して熱伝導率が上昇していく傾向も確認した。一方で、ランダムな構造ではなく、特定のグラフェンと二硫化モリブデンの配置で熱伝導率が最小値を取ったが、これは薄膜のために配置がランダム（ホワイトノイズ）になるほほどの自由度がないためであると考えられる。さらに、以上の計算結果を実験で実現するために、実験グループと共同研究をはじめ、シンプルな構造の熱伝導率計測ができるようになっている。

近年来，从声子输运的角度考虑半导体和绝缘体中的热输运，通过纳米结构和界面结构控制热传导的科学得到了发展。此外，随着自下而上自组织的发展，如果使用长度尺度与声子波的特征长度相当的结构，则可以实现利用声子的波和粒子性质的控制。因此，在本研究中，我们将了解声子晶体和低维材料中的热传输及其可控性，并实践声子工程。在最后一年的四个月里，他们撰写、提交并展示了通过分子模拟获得的研究成果的论文。这段时间，我们对机制的讨论更加深入。在上一财年，我们开发了一种堆叠石墨烯和二硫化钼的二维结构的结构，使用热传输计算和机器学习相结合的方法来确定最小化热导率的最佳结构，并成功设计。电导率非常低的非周期结构，但今年我们将继续分析声子传输函数的分布函数、参与比、本征模的映射等，我们将研究其机制是否是声子局域化。据透露，它起源于。声子传输函数的分布函数显示出安德森局域化，参与比也表明了强局域化。我们还证实，分阶段引入缺陷往往会使声子离域并增加热导率。另一方面，石墨烯和二硫化钼的特定排列而不是随机结构的热导率达到最小值，但这是因为薄膜具有如此大的自由度，使得排列变得随机（白噪声）这被认为是因为没有这样的事情。此外，为了通过实验实现上述计算结果，我们正在与实验组进行联合研究，目前已经能够测量简单结构的导热系数。

项目成果

Two-path phonon interference resonance induces a stop band in a silicon crystal matrix with a multilayer array of embedded nanoparticles

• DOI: 10.1103/physrevb.102.024301
• 发表时间: 2020-01
• 期刊: Physical Review B
• 影响因子: 3.7
• 作者: Shiqian Hu;Lei Feng;Cheng Shao;I. Strelnikov;Y. Kosevich;J. Shiomi

熱エネルギー工学研究室

热能工程实验室

Disorder limits the coherent phonon transport in two-dimensional phononic crystal structures

• DOI: 10.1039/c9nr02548k
• 发表时间: 2019-06-28
• 期刊: NANOSCALE
• 影响因子: 6.7
• 作者: Hu, Shiqian;Zhang, Zhongwei;Chen, Jie
• 通讯作者: Chen, Jie

Ultimate impedance of coherent heat conduction in van der Waals graphene-MoS2 heterostructures

• DOI: 10.1016/j.mtphys.2020.100324
• 发表时间: 2021-01-01
• 期刊: MATERIALS TODAY PHYSICS
• 影响因子: 11.5
• 作者: Hu, S.;Ju, S.;Shiomi, J.
• 通讯作者: Shiomi, J.